Měření tvrdosti modifikovaných ocelí. Jan Komárek

Transkript

1 Měření tvrdosti modifikovaných ocelí Jan Komárek Bakalářská práce 2013

2

3

4

5

6 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá měřením tvrdosti vybraných druhů modifikovaných ocelí. Teoretická část se zaměřuje na charakteristiku jednotlivých způsobů měření tvrdosti kovů. V praktické části se určuje tvrdost vybraných ocelí, které jsou v základním stavu, tepelně zpracovány nebo chemicko-tepelně zpracovány. Tvrdost ocelí se určuje zkouškou podle Rockwella při různých druzích zatížení. V závěru práce jsou jednotlivé tvrdosti ocelí porovnány podle měřené metody. Klíčová slova: zkoušky tvrdosti, statické zkoušky tvrdosti, dynamické zkoušky tvrdosti, tepelné zpracování, chemicko-tepelné zpracování. ABSTRACT This bachelor thesis deals with the hardness measurement of selected types of modified steels. The theoretical part focuses on characteristics of different ways of measuring the hardness of metals. The practical part determines the hardness of selected steels that are in the ground state, heat treated or heat treated. Hardness of steels is determined by Rockwell test for various types of loads. In the end of the thesis are compared individual hardnesses of steels according to measuring methods. Keywords: hardness testing, static hardness testing, dynamic hardness testing, heat treatment, chemical-heat treatment.

7 Tímto bych rád poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Davidu Maňasovi Ph.D., za odborné vedení, cenné rady a připomínky, které mi byly poskytnuty v průběhu vypracování této práce. Prohlašuji, že odevzdaná verze bakalářské práce a verze elektronická nahraná do IS/STAG jsou totožné.

8 OBSAH ÚVOD I TEORETICKÁ ČÁST ZKOUŠKY TVRDOSTI ROZDĚLENÍ ZKOUŠEK STATICKÉ ZKOUŠKY TVRDOSTI VRYPOVÉ ZKOUŠKY Martensova zkouška VNIKACÍ ZKOUŠKY Zkouška tvrdosti podle Brinella Zkouška tvrdosti podle Vickerse Zkouška tvrdosti podle Rockwella Zkoušky mikrotvrdosti Nanotvrdost DYNAMICKÉ ZKOUŠKY TVRDOSTI PLASTICKÉ NÁRAZOVÉ Metoda volným pádem Metoda stlačenou pružinou (Baumannovo kladívko) Metoda porovnávací (Poldiho kladívko) ELASTICKÉ ODRAZOVÉ Shoreho skleroskop Duroskop Tvrdoměr Equotip II PRAKTICKÁ ČÁST EXPERIMANTÁLNÍ ČÁST CÍL PRÁCE TYPY ZKOUŠEK ZKUŠEBNÍ VZORKY POSTUP MĚŘENÍ TEPENÉ ZPRACOVÁNÍ A CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ VYBRANÝCH DRUHŮ OCELÍ TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Kalení Popouštění CHEMICKO-TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Cementování OCEL NEZPRACOVANÁ OCEL ZUŠLECHTĚNÁ OCEL OCEL

9 7.1 NEZPRACOVANÁ OCEL ZUŠLECHTĚNÁ OCEL OCEL NEZPRACOVANÁ OCEL CEMENTOVANÁ OCEL OCEL NEZPRACOVANÁ OCEL ZUŠLECHTĚNÁ OCEL DISKUZE VÝSEDKŮ METODA HRA METODA HRC METODA HR15N METODA HR30N METODA HR45N ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 67

10 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 10 ÚVOD Historie měření tvrdosti kovů spadá až do roku 1722, kdy jako první určil vtiskovou metodou tvrdost René Antoine Ferchault de Réaumur, který vyjádřil tvrdost jako průnik hran dvojice trojbokých hranolů. O 100 let později roku 1822 představil Friedrich Mohs stupnici deseti nerostů, z nich každý následující je schopen vyrýt vryp do všech předcházejících nerostů. Tato stupnice se ale používala zejména pro mineralogii a byla příliš hrubá pro hodnocení kovů, proto byla roku 1892 vynalezena vrypová zkouška podle Martense. Na konci 19. století a začátkem 20. století vznikaly nové metody, k nejvýznamnější patří zkouška tvrdosti podle Brinella, Rockwella a Vickerse. V tomto období bylo také vyrobeno v Kladně Poldiho kladívko, které bylo patentováno v mnoha zemích světa. V současné době se většinou používají přístroje, které jsou vybaveny počítačem a tvrdost nám vyhodnocují automaticky podle zvolené metody. [15] Zkoušky tvrdosti patří mezi nejstarší a nejrozšířenější zkoušky kovů. Jsou poměrně levnou metodou a dají se provádět i na předmětech nejmenších rozměrů. Jedná se o zkoušky nedestruktivní, protože nedochází k porušení ani deformaci zkušebního vzorku, ale jen k vrypu nebo vtisknu, který je způsoben vnikacím tělesem. Nejčastěji se používají k doplnění hodnot mechanických vlastností, zjištěných zkouškou tahem a rázem v ohybu. Vnikající těleso (indentor) musí mít požadovanou tvrdost, aby nepodléhalo plastickým deformacím, proto je z požadovaných vlastností nejvhodnější diamant, ale z důvodu velké ceny se používá jenom pro měření tvrdosti kovů nad 630 HV, do tvrdosti 450 HV se používá kalená ocelová kulička. Tyto zkoušky jsou poměrně levnou metodou a dají se provádět i na velmi malých součástkách. Hlavním cílem bakalářské práce je stanovení tvrdosti vybraných druhů ocelí. Teoretická část je zaměřena na popis jednotlivých metod měření tvrdosti ocelí. V praktické části jsou porovnány tvrdosti ocelí s různým tepelným zpracováním a chemicko-tepelným zpracováním.

11 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 11 I. TEORETICKÁ ČÁST

12 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 12 1 ZKOUŠKY TVRDOSTI Zkoušky tvrdosti se nejčastěji používají k doplnění hodnot mechanických vlastností, zjištěných zkouškou tahem a zkouškou rázem v ohybu. Jejich hlavní výhodou je jednoduchost a rychlost měření. Zkoušky se dají provést přímo bez další úpravy na daném předmětu a není nutné pro ně zhotovovat zkušební tělíska. Zkoušky tvrdosti se provádí vždy na povrchu předmětu. Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa. Čím menší odpor je proti těmto deformacím, tím menší zatížení je třeba k dosažení určité deformace, a tím menší tvrdost má zkoušené těleso. Určujeme ji tak, že těleso vhodného tvaru - indentor (kulička, kužel, jehlan) z vhodného dostatečně tvrdého materiálu (kalená ocel, slinutý karbid, diamant), zatlačujeme do zkoušeného materiálu. Tvrdost posuzujeme z velikosti deformace jeho povrchu. [4] [5] [7] 1.1 Rozdělení zkoušek Zkoušky tvrdosti je možné rozdělit podle více hledisek: a) Principu zkoušky zkoušky vrypové zkoušky vnikající zkoušky nárazové zkoušky odrazové b) Rychlosti zatěžující síly statické dynamické c) Účelu měření zkoušky makrotvrdosti zkoušky mikrotvrdosti

13 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 13 Tab. 1. Rozdělení zkoušek tvrdosti [7] Zkoušky tvrdosti Zkoušky makrotvrdosti Zkoušky mikrotvrdosti Statické Dymamické Vrypové Vnikající Plastické nárazové Elastické odrazové Metoda Brinell Metoda volným pádem Shoreho skleroskop Metoda Vickers Metoda stlačenou pružinou Duroskop Metoda Rockwell Metoda porovnávací Statické Metoda Martense Vnikající Vickers při malých zatížení Knoop při malých zatížení

14 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 14 2 STATICKÉ ZKOUŠKY TVRDOSTI Statické zkoušky tvrdosti jsou takové, u kterých je zatěžující síla stálá nebo se plynule zvětšuje. Při zkoušce dochází k porušení povrchu zkoušeného materiálu, na povrchu vznikne vryp nebo vtisk, podle toho jakou metodu použijeme a danou deformaci změříme mikroskopem. Vnikací těleso nesmí podléhat plastickým deformacím, musí mít proto nejvyšší tvrdost a mez pružnosti. K potlačení jeho elastických deformací při vnikání do povrchu materiálu má mít vysoký modul pružnosti. Jako materiál vnikacího tělesa pro zkoušení kalených ocelí, tvrzené litiny a obecně všech materiálů a tvrdostí nad asi 630 HV lze použít jedině diamant. Slinutý karbid se doporučuje do tvrdosti max. 630 HV, kalená ocel do tvrdosti asi 450 HV. [3] [7] 2.1 Vrypové zkoušky Tato zkouška patří mezi nejstarší způsoby zkoušení tvrdosti a její princip byl převzat z mineralogie, kde se ke klasifikaci tvrdosti užívá tzv. Mohsovy stupnice tvrdosti (Tab. 2). Ve stupnici je seřazeno 10 nerostů, z nichž každý následující je schopen vyrýt do všech předcházejících nerostů vryp. Pro měření tvrdostí technických materiálů je Mohsova stupnice velmi málo citlivá, a proto se v technické praxi používá mnohem citlivějších metod měření, které se provádějí na tvrdoměrech. [4] [8] Tab. 2. Mohsova stupnice tvrdosti a tvrdost mat. užívaných ve strojírenství podle Mohsovy stupnice [4] Mohsova stupnice tvrdosti Tvrdost podle Mohsovy stupnice Mastek 1 Grafit 0,5 Iridium 6 Sůl kamenná nebo sádrovec 2 Olovo 1,5 Plantiniridium 6,5 Vápenec 3 Cín 1,5 Ocel tvrdá 8,5 Kazivec 4 Hliník 2,0 Tvrdé (slinuté) kovy 9,8 Apatit 5 Zlato 2,5 Živec 6 Stříbro 2,5 Křemen 7 Antimon 3,5 Topas 8 Čisté železo 4,5 Korund 9 Platina 4,5 Diamant 10 Ocel měkká 5

15 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Martensova zkouška Pokud chceme zachovat princip zkoušky podle Mohsovy stupnice tvrdosti, tak tvrdost kovů a slitin musíme, definovat jinak, a to pomocí šířky vrypu. K určování této tvrdosti se používá přístroje Martensova (Obr. 1). Princip přístroje spočívá v tom, že po vyhlazené ploše zkoušeného kovu pojíždí diamantový kužel s vrcholovým úhlem 90, který lze zatížit silou, až 19,8 N. Vytvořený vryp se měří pomocí optického mikroskopu. Mírou tvrdosti dle Martense je síla F potřebná k vytvoření vrypu širokého 0,01 mm. Druhou možností je, že se při stejném zatížení vytvoří vryp a porovnává se šířka vrypu. Způsob zjišťování tvrdosti vrypovou metodou je značně nepřesný, a proto se velmi málo používá. Jediné současné praktické využití vrypové zkoušky je možné nalézt při studiu velmi tvrdých několik mikrometrů tenkých a tvrdých vrstev nitridů popř. karbidů kovů. Tato metoda se nazývá scratch test. Způsob zkoušky metodou scratch test je poněkud pozměněn, neboť se používá diamant s vrcholovým úhlem 120 a vrcholovým zaoblením 0,2 mm. Zátěžná síla je proměnná. Na určité délce se vytvoří vryp s narůstající silou. U těchto vrstev se zkoumá jejich adhezivně - kohezivní chování (odezva vrstvy na pronikající pohybující se indentor). V tomto případě se určuje kritické zatížení L C, které mělo za následek odtržení vrstvy. [4] [9] Obr. 1. Martensův přístroj k vrypové zkoušce tvrdosti [4]

16 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Vnikací zkoušky Je to odolnost materiálu proti vnikání cizího tělesa do zkoušeného materiálu je dána velikostí sil, jimiž jsou atomy kovu navzájem vázány. Stejný kov proto může mít různou tvrdost v závislosti např. na těchto hlavních činitelích: Velikost zrna - Čím je kov jemněji krystalizován, tím je v jednotce objemu víc hranic zrn, které odolávají vnikání cizích těles. U jemnozrnných materiálů proto naměříme vyšší tvrdost nežli u hrubozrnných materiálů. Teplota - Čím je teplota měřeného kovu vyšší, tím se vlivem roztažnosti stávají vazby mezi atomy méně pevné a materiál se jeví měkčí. Cizí příměsi - Všechny příměsi ve zkoušeném materiálu snižují jeho plasticitu, a tím zvyšují tvrdost. Vnitřní pnutí - Jsou způsobena např. tvářením za studena, nestejnou rychlostí ochlazování povrchu a vnitřku výrobku, rozpadem fází v heterogenní struktuře. Všechna pnutí zvyšují tvrdost. Zkoušky vnikající jsou nejpoužívanější zkoušky při zjišťování tvrdosti materiálu. Při této zkoušce zatlačujeme do zkušebního materiálu velmi tvrdé těleso (kuličku, kužel, jehlan) a měřítkem tvrdosti je velikost vzniklého vtisku (jeho průměr, hloubka nebo úhlopříčka) nejznámější jsou zkoušky tvrdosti podle Brinella, Rockwella a Vickerse. Tvrdost neželezných kovů (Cu, Sn, Pb, Al a jejich slitiny) zkoušíme nejčastěji podle Brinella, tvrdé a kalené materiály podle Rockwella. Zkouška tvrdosti podle Vickerse odstraňuje nevýhody obou předcházejících zkoušek a je nejpoužívanější. [1] [7] [9] Zkouška tvrdosti podle Brinella Autorem této metody je švédský inženýr Johan Augusta Brinell, který ji poprvé předvedl na veřejnosti v roce 1900 na světové výstavě v Paříži. Dnes je to jedna z nejběžnějších zkoušek převážně pro kovové materiály. Zkouška je vhodná na zkoušení měkkých a středně tvrdých materiálů s heterogenní strukturou. [7] [18] Pro tuto zkoušku platí norma ČSN EN ISO , 2, 3,4 ( ). [20]

17 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 17 Princip zkoušky: Zkouška spočívá ve vtlačování ocelové kalené kuličky nebo kuličky z tvrdokovu o průměru D do zkušebního tělesa nebo výrobku působením síly F, směřující kolmo k měřenému povrchu po stanovenou dobu a po odlehčení se změří průměr vtisku d (aritmetický průměr dvou na sebe kolmých rozměrů d 1 a d 2 ) a stanoví se z něho tvrdost (Obr. 2). [1] [7] Obr. 2. Princip zkoušky tvrdosti podle Brinella [1] Obr. 3. Tvrdoměr Brinell 3000 LDB BASIC [13] Tvrdost podle Brinella se určuje buď pomocí vzorce, anebo se přímo odečte z tabulek podle průměru vtisku. [7] Vzorec pro výpočet tvrdosti: HB,, (2.1) d (2.2) kde: F - zkušební zatížení [N] A - povrch vytlačovaného důlku [mm 2 ] D - průměr kuličky [mm] d - aritmetický průměr vtisku [mm] konstanta 0,102,

18 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 18 Zkoušené těleso: Zkouška se provádí na povrchu, který je rovný, hladký, bez okují, mazadel a nečistot. Zkoušené těleso musí mít povrch upraven tak, aby umožnil přesné stanovení průměru vtisku. Povrch vzorku musí být co nejméně ovlivněn ohřevem nebo tvářením. Tloušťka zkušebního vzorku musí mít alespoň osminásobek hloubky vtisku h (Obr. 2). Na protilehlé straně zkušebního tělesa nesmí být patrné stopy deformace od vnikacího tělesa. [12] [23] Postup zkoušky: Zkoušku provádíme na povrchu zkušebního materiálu, anebo přímo na povrchu dané součásti, který musí být hladký a rovný, bez okují a mazadel. Teplota měření musí být v rozmezí 10 až 35 C (obvykle 23 ± 5 C). Průměr kuličky a odpovídající zatížení je nutno volit tak, aby průměr vtisku d byl v rozmezí 0,25 D až 0,6 D. Rozdíl mezi hodnotami průměrů jednoho vtisku nesmí být větší než 5 %. Pro různý materiál se volí kuličky různého průměru s různou silou vytlačování (tab.3). Při zkoušce musí vzorek ležet na tuhé podložce tak, aby se nepohnul, a styčné plochy musí být čisté, bez cizích těles. Vzdálenost mezi středem vtisku a okrajem zkušebního tělesa nebo výrobku musí být nejméně 2,5 d, vzdálenost mezi středy dvou sousedních vtisků nejméně 4 d. Doba počátku zatěžování až do jeho plné hodnoty musí být v rozmezí 2 až 8 s. Doba plného zkušebního zatížení se volí u ocelí a litin 10 až 15 s, u neželezných kovů může být podle měřeného materiálu 10 až 180 s. Po dobu zkoušky musí být přístroj chráněn proti rázům a chvění, které mohou ovlivnit výsledek měření. [1] [12] [23] Obecné schéma pro označování zkoušek tvrdosti: Tvrdosti podle Brinella HB označujeme dle materiálu, ze kterého je vyrobena kulička. [1] HBW - kulička z tvrdokovu, používá se pro materiály s tvrdostí podle Brinella do 650. HBS - kalená ocelová kulička, používá se pro materiály s tvrdostí podle Brinella do 450. XXX HBW XX / XXX / XX Hodnota tvrdosti Symbol tvrdosti Rozměr vnikacího tělesa Velikost zkušebního zatížení Doba působení zkušebního zatížení *) *) Uvádí se tehdy, liší - li se od stanovené doby (10 až 15 s) [1]

19 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 19 Tab. 3. Vztah průměru a zatěžující síly u metody Brinell [12] Průměr kuličky v mm ,5 2 1 Zkušební síla [N] Poměr 0,102F/D , , , ,9 2, , , ,5 1, , , ,2 2,5 98,07 2, ,61 1,25 61, ,03 1, , ,52 2,5 12,26 1,25 9,807 1 Tab. 4. Volba poměru 0,102 F / D 2 pro různé materiály [12] Materiál Poměr 0,102F/D 2 Tvrdost HB Ocel 30 do 650 Litina (při zkouškách litiny musí být průměr kuličky HB 2,5 mm; 5 mm; 10mm) HB 5 < 35 Měď a slitiny mědi až > 200 1,25 nebo 2,5 < 35 Lehké kovy a jejich slitiny 5,10,15 35 až 80 10,15 > 80 1, Cín, olovo, ložiskové kompozice a jiné slitiny 1 3,2-20

20 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Zkouška tvrdosti podle Vickerse Tato zkouška byla vyvinuta v Anglii roku 1922 R. L. Smithem a G. E. Sanlandem, současný název pochází od tvrdoměru anglické firmy Vickers. Tato zkouška je především zkouškou laboratorní. Je vhodná pro přesnější práce kontrolní, přejímací nebo výzkumné. [7] Pro tuto zkoušku platí norma ČSN EN ISO , 2, 3, 4 ( ). [20] Princip zkoušky: Zkouška spočívá ve vtlačování diamantového čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem 136 do materiálu působením síly F, která směřuje kolmo k měřenému povrchu po stanovenou dobu. K určení tvrdosti se změří po odlehčení délka úhlopříček vtisku (zjišťuje se aritmetický průměr obou změřených úhlopříček u 1, u 2 ) (Obr. 4). Tato zkouška je vhodná zejména k měření velmi tenkých vrstev materiálů (nitridované vrstvy) a tvrdých materiálů (kalené součásti). [3] [4] Ve velkých závodech se používá zdokonalených Vickersových tvrdoměrů tzv. diatestorů. Diatestory jsou vylepšené tvrdoměry tím, že obraz vtisku se promítá zvětšený na matnici. [1] Obr. 4. Princip zkouška tvrdosti podle Vickerse [1] Obr. 5. Digitální tvrdoměr Vickers 50 kg [21] Tvrdost podle Brinella se určuje buď pomocí vzorce, anebo se přímo odečte z tabulek podle průměru vtisku. [7]

21 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 21 HV= 0,102 0,102 (2.3) u (2.4) kde: F - zkušební zatížení [N] A - povrch vtisku [mm 2 ] u - aritmetický průměr vtisku [mm] α- vrcholový úhel vnikacího tělesa [ ] Zkoušené těleso: Zkouška se provádí na povrchu, který je rovný, hladký, bez okují, mazadel a nečistot. Zkoušené těleso musí mít povrch upraven tak, aby umožnil přesné měření rozměrů vtisku. Povrch vzorku musí být co nejméně ovlivněn ohřevem nebo tvářením. Tloušťka zkušebního vzorku musí být u slitin železa nejméně 1,2 u, v jiných případech 1,5 u. Zatížením musí působit plynule bez rázů a chvění. Na protilehlé straně zkušebního tělesa nesmí být patrné stopy deformace od vnikacího tělesa. Při zkouškách na zakřivených plochách se používá opravných součinitelů uvedených v normě. [12] [23] Postup zkoušky: Teplota měření musí být v rozmezí 10 až 35 C (obvykle 23 ± 5 C) Při zkoušce musí být použito některé z předepsaných zkušebních zatížení (tab. 5). Při zkoušce musí vzorek ležet na tuhé podložce tak, aby se nepohnul, a styčné plochy musí být čisté, bez cizích těles. Vzdálenost středu vtisku ke kraji zkušebního tělesa nebo ke kraji sousedního vtisku musí být nejméně 2,5 násobek velikosti úhlopříčky. Doba počátku zatěžování až do jeho plné hodnoty nesmí překročit 10 s. Doba působení plného zatížení se volí v rozmezí 10 až 15 s. Pro některé materiály mohou být i delší časy, které musí být vyznačeny v označení tvrdosti. Úhlopříčka vtisku se měří nejčastěji mikroskopicky s přesností ± 1 %. Rozdíl mezi hodnotami dvou úhlopříček vtisku nesmí být větší jak 5 %. Po dobu zkoušky musí být přístroj chráněn proti rázům a chvění, které mohou ovlivnit výsledek měření. [1] [4] [7] [12] [23]

22 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 22 Obecné schéma pro označování zkoušek tvrdosti: [1] XXX HV XXX / XX Hodnota tvrdosti Symbol tvrdosti Velikost zkušebního zatížení Doba působení zkušebního zatížení *) *) Uvádí se jen, pokud se doba působení zkušebního zatížení liší od stanovené doby (10 až 15 s). [1] Tab. 5. Zkušební zatížení při zkoušce tvrdosti metodou Vickers [24] Zkoušky tvrdosti 1) Zkoušky tvrdosti při nízkém zatížení Zkoušky mikrotvrdosti 2) Symbol tvrdosti Nominální hodnota zkušebního zatížení F [N] Symbol tvrdosti Nominální hodnota zkušebního zatížení F [N] Symbol tvrdosti Nominální hodnota zkušebního zatížení F [N] HV 5 49,03 HV 0,2 1,961 HV 0,01 0,09807 HV 10 98,07 HV 0,3 2,942 HV 0,015 0,1471 HV ,1 HV 0,5 4,903 HV 0,02 0,1961 HV ,2 HV 1 9,807 HV 0,025 0,2452 HV ,3 HV 2 19,61 HV 0,05 0,4903 HV ,7 HV 3 29,42 HV 0,1 0,9807 1) Může být použito nominální zatížení větší než 980,7 N. 2) Pro zkoušku mikrotvrdosti jsou doporučována následující zkušební zatížení Zkouška tvrdosti podle Rockwella Tato zkouška byla vyvinuta v Americe S. P. Rockwellem a poprvé použita roku Od zkoušky podle Brinella a Vickerse se liší tím, že se neměří průměr vtisku ani délka úhlopříček, ale hloubka vtisku. Tato metoda je velmi rozšířená, protože je rychlá, snadná, vtisky malé. Většina tvrdoměrů pro tuto zkoušku je upravena tak, že hloubku vtisku odečítáme na číselníkovém úchylkoměru, kde ukazatel na číselníku ukazuje přímo tvrdost podle Rockwella. Z tohoto důvodu je tato metoda často používaná v provozu. Nejčastěji se používá v kalírnách při nitridování a cementování. [1] [7] [18] [23] Pro tuto zkoušku platí norma ČSN EN ISO , 2, 3 ( ). [20]

23 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 23 Princip zkoušky: Zkouška spočívá ve vtlačování vnikacího tělesa s diamantovým kuželem o vrcholovém úhlu 120 (pro tvrdý materiál) nebo kuličky z tvrdokovu o průměru 1,5857 mm (1 / 16") nebo 3,175 mm (1 / 8") do povrchu zkušebního tělesa. Měří se hloubka vtisku h, z které se určí tvrdost podle Rockwella (Obr. 6). [1] [7] Celkové zkušební zatížení F = F 0 + F 1 (tab. 6) se skládá s předběžného (F 0 = 98,07N) a přídavného (F 1 - je různé podle stupnice tvrdosti) (Tab. 6). Obr. 6. Princip zkoušky tvrdosti podle Rockwella [1] Obr. 7. Digitální dotykový tvrdoměr Rockwell 655 [13] Vztah pro výpočet tvrdosti podle Rockwella: HR = N! " # (2.5) HRA, HRC, HRD = 100! $ 0,002 HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK =130! $ 0,002 HRN, HRT = 100! $ 0,001

24 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 24 kde: N - číslo charakterizující stupnici h - trvalá hloubka vtisku pod předběžným zkušebním zatížením po odstranění přídavného zkušebního zatížení (trvalá hloubka vtisku) [mm] S - jednotka stupnice, charakterizující stupnici [mm] Zkoušené těleso: Zkouška se provádí na povrchu, který je rovný, hladký, bez okují, mazadel a nečistot. Zkoušené těleso musí mít povrch upraven tak, aby umožnil přesné měření rozměrů vtisku. Povrch vzorku musí být co nejméně ovlivněn ohřevem nebo tvářením. Tloušťka zkušebního vzorku nebo měřené povrchové vrstvy musí být nejméně 10 krát větší něž hodnota h pro kuželová vnikací tělesa a nejméně 5 krát větší pro vnikací tělesa s kuličkou. Na protilehlé straně zkušebního tělesa nesmí být patrné stopy deformace od vnikacího tělesa. Při zkouškách na zakřivených plochách se používá opravných součinitelů uvedených v normě. [12] [23] Postup zkoušky: Teplota měření musí být v rozmezí 10 až 35 C (obvykle 23 ± 5 C) Při zkoušce musí být použito některé z předepsaných zkušebních zatížení (tab. 6). Při zkoušce musí vzorek ležet na tuhé podložce tak, aby se nepohnul, a styčné plochy musí být čisté, bez cizích těles. Diamantový kužel nebo kuličku z tvrdokovu, která se dotýká povrchu zkoušeného tělesa, zatížíme předběžnou silou F 0. Potom zvolna sílu zvětšujeme během 2 až 8 s o přídavné zatížení F 1, až dosáhneme celkového zatížení F předepsaného normou (tab. 6). Pak přídavné zatížení F 1 odlehčujeme na předběžné zatížení F 0 a zjistíme hloubku vtisku. Doba působení celkového zkušebního zatížení je u materiálů, které vykazují silnou závislost plastické deformace na čase 10 až 15 s a u materiálů, které vykazují omezenou nebo žádnou závislost plastické deformace na čase 1 až 5 s. Vzdálenost středu vtisku ke kraji zkušebního tělesa nebo ke kraji sousedního vtisku se doporučuje nejméně 3 mm u stupnice A, B, C, 1 mm u stupnice N a 2 mm u stupnice T. Po dobu zkoušky musí být přístroj chráněn proti rázům a chvění, které mohou ovlivnit výsledek měření. [1] [7] [12] [23]

25 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 25 Obecné schéma pro označování zkoušek tvrdosti: [1] Stupnice tvrdosti (A až K) XXX HRX / XX Hodnota tvrdosti Symbol tvrdosti Doba působení zkušebního zatížení *) *) Uvádí se jen, pokud se doba působení zkušebního zatížení liší od stanovené doby (10 až 15 s). [1] Tab. 6. Zkoušky tvrdosti podle Rockwella - stupnice a rozsahy použití [24] Stupnice tvrdosti podle Rockwella Značka tvrdosti Typ vnikacího tělesa A HRA Diamantový kužel Předběžné zatížení F 0 [N] Přídavné zatížení F 1 [N] Celkové zatížení F [N] Oblast použití (zkouška tvrdosti podle Rockwella) 490,3 588,4 20 HRA až 88 HRA B HRB Kulička 1,5875 mm 882,6 980,7 20 HRB až 100 HRB C HRC Diamantový kužel HRC až 70 HRC D HRD Diamantový kužel 882,6 980,7 40 HRD až 77 HRD E HRE Kulička 3,175 mm 98,07 882,6 980,7 70 HRE až 100 HRE F HRF Kulička 1,5875 mm 490,3 588,4 60 HRF až 100 HRF G HRG Kulička 1,5875 mm HRG až 94 HRG H HRH Kulička 3,175 mm 490,3 588,4 80 HRH až 100HRH K HRK Kulička 3,175 mm HRK až 100 HRK 15N HR15N Diamantový kužel 117,7 147,1 70 HR15N až 94 HR15N 30N HR30N Diamantový kužel 264,8 294,2 42 HR30N až 86 HR30N 45N HR45N Diamantový kužel 411,9 441,3 20 HR45N až 77 HR45N 29,42 15T HR15T Kulička 1,5875 mm 117,7 147,1 67 HR15T až 93 HR15T 30T HR30T Kulička 1,5875 mm 264,8 294,2 29 HR30T až 82 HR30T 45T HR45T Kulička 1,5875 mm 411,9 441,3 10 HR45T až 72 HR45T Zkoušky mikrotvrdosti Mikrotvrdostí se rozumí tvrdost určená použitím zcela malých zatížení, která způsobí jen nepatrné vtisky. Tyto zkoušky našli uplatnění až po roce Zatím co při makrotvrdosti se zjišťuje tvrdost kovu jako krystalického celku, je možno při mikrotvrdosti stanovit tvrdost jednotlivých strukturních součástek kovu. Měření mikrotvrdosti je realizováno vtlačováním diamantového tělesa tvaru Vickersova nebo Knoopova jehlanu do povrchu měřeného tělesa silami, které jsou v rozsahu od 1 g (0,09807 N) do 1000 g (9,807 N).

26 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 26 Povrch zkoušeného tělesa musí být velmi pečlivě připraven. K tomuto zjištění se vzorek připravuje jako metalografický výbrus. To jsou výbrusy, při kterých nesmí dojít k deformačnímu nebo tepelnému ovlivnění povrchu. Skládají z několika na sebe navazujících kroků: odběr vzorku (musí plně charakterizovat studovaný materiál) preparace vzorku (pokud jsou vzorky velmi malé je nutné je preparovat v umělé hmotě) broušení (dosáhnutí rovinného povrchu vzorku s minimálním poškozením, které se odstraní leštěním) leštění (materiál z povrchu vzorku neubývá, ale nastává pouze deformace vrcholů povrchové drsnosti leptání (proces, při kterém dochází k zviditelnění jednotlivých strukturních součástí) [4] [7] [22] [25] Oblast použití zkoušek mikrotvrdosti je vhodné pro: malé nebo tenké součásti měření tvrdosti malých, vybraných oblastí zkušebního vzorku měření mikrotvrdosti strukturních složek a fází hodnocení vrstev po chemicko - tepelném zpracování měření tvrdosti velmi tenkých kovových a jiných anorganických povlaků hodnocení svarových spojů pro hodnocení oduhličujících procesů studium difúzních pochodů měření křehkých materiálů měření tvrdosti v břitu nástroje atd. [22]

27 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 27 Zkouška mikrotvrdosti podle Vickerse Princip zkoušky: Určování mikrotvrdosti Vickersovým jehlanem s vrcholovým úhlem 136 se určuje stejně, jako byla popsána u Vickersovy zkoušky makrotvrdosti. Pouze délka společné hrany mezi protilehlými stěnami jehlanu nesmí převyšovat 0,0005 mm (Obr. 8). Z důvodu velmi přesného měření úhlopříček vtisku musí být zajištěn přesný tvar vnikacího tělesa. Vztah pro výpočet mikrotvrdosti je také stejný. (viz. kapitola 2.2.2). [4] [7] Obr. 8. Hrot vnikacího tělesa u zkoušek mikrotvrdosti a - společná hrana o délce max. 0,5 µm [22] Obr. 9. Stolní tvrdoměr Micro - Vickers a Knoop 412A/ 413A [13] Vztah pro výpočet mikrotvrdosti: HV =0,1855 (2.6) kde: F - zkušební zatížení [N] u - aritmetický průměr vtisku [mm] Zkoušené těleso: Zkouška se provádí na povrchu, který je rovný, hladký, bez okují, mazadel a nečistot. Mikrotvrdost se obvykle měří na metalografických výbrusech. Tloušťka zkušebního tělesa musí být nejméně 1,5 násobek délky úhlopříčky vtisku. [7]

28 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 28 Postup zkoušky: Zkušební těleso musí být umístěno na tuhé podložce, tak aby se během zkoušky nepohnulo. Doba počátku zatěžování až do jeho plné hodnoty nesmí překročit 10 s. Doba působení plného zatížení se volí v rozmezí 10 až 15 s. Vzdálenost okraje vtisku od okraje zkušebního tělesa musí být nejméně 1,5 násobek úhlopříčky vtisku. Vzdálenost okrajů dvou sousedních vtisků musí činit nejméně dvojnásobek úhlopříčky většího vtisku. Při zkoušce musí být použito některé z předepsaných zkušebních zatížení (Tab. 5) [4] [22] Zkouška mikrotvrdosti podle Knoopa Tato zkouška byla vypracována v roce 1939 v Americe. Mikrotvrdoměr podle Knoopa se liší od metody podle Vickerse ve tvaru jehlanu (indentor) (Obr. 10). Délka společné hrany mezi protilehlými stěnami jehlanu nesmí převyšovat 0,0005 mm (Obr. 11). [4] [9] [22] Měření metodou Knoop se používá na měření tvrdosti velmi malých podlouhlých a tenkých vzorků z velmi tvrdých materiálů. [23] Pro tuto zkoušku platí norma ČSN EN ISO , 2, 3, 4 ( [20] Princip zkoušky: Metoda je založena na vtlačování diamantového vnikacího tělesa ve tvaru čtyřbokého jehlanu s vrcholovými úhly a 130 do zkoušeného materiálu působením síly F. Vtisk má tvar protáhlého kosočtverce a na rozdíl od metody Vickers se měří pouze delší úhlopříčka L. Stejně jako v případě tvrdosti podle Vickerse musí být zajištěn přesný tvar vnikajícího tělesa. [12]

29 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 29 Obr. 10. a) Tvar diamantového jehlanu podle Knoopa, b) Vzhled vtisku Knoopova jehlanu [5] Obr. 11. Hrot vnikacího tělesa u zkoušek mikrotvrdosti a - společná hrana o délce max. 0,5 µm [22] Vztah pro výpočet mikrotvrdosti: HK = 0,102 0,102 ),* =,+ ) (2.7) kde: F - zkušební zatížení [N] A - povrch vytlačovaného důlku [mm 2 ] L - délka delší úhlopříčky [mm] 0, konstanta pro přepočet délky úhlopříčky na plochu vtisku konstanta 0,102,

30 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 30 Zkoušené těleso: Musí být stejně připravené jako u měření mikrotvrdoti podle Vickerse. Postup zkoušky: Provádí se stejně jako u měření mikrotvrdosti podle Vickerse. Při zkoušce musí být použito některé z předepsaných zkušebních zatížení (Tab. 7). Tab. 7. Zkušební zatížení pro zkoušku tvrdosti podle Knoopa [22] Symbol tvrdosti Nominální hodnota zkušebního zatížení F [N] HK 0,01 0,09807 HK 0,02 0,1961 HK 0,025 0,2452 HK 0,05 0,4903 HK 0,1 0,9807 HK 0,2 1,961 HK 0,3 2,942 HK 0,5 4,903 HK 1 9, Nanotvrdost Nanotvrdost je termín pro hodnoty mikrotvrdosti zjištěné při extrémně nízkých hodnotách zatížení (až 0,01 g). Takto vytvořené vtisky mají často rozměry menší než 100 nm (10-4 mm). Z důvodu požadované přesnosti naměřených hodnot mikrotvrdosti jsou schopny užívané přístroje (nanoindentory) měřit hloubku proniknutí indentoru h s přesností až 0,2 nm. Nanotvrdost se využívá při měření velmi tenkých vrstev, povlaků, filmů a strukturních složek ve slitinách. Při měření nanotvrdosti se nejčastěji používá vnikací tělísko, které je vyrobené z diamantu. Přednostně se používá vnikací těleso ve tvaru trojbokého jehlanu podle Berkoviche, který zachovává stejný poměr hloubky a plochy vtisku jako Vickersův jehlan, ale oproti jehlanu podle Vickerse (který je zakončen krátkým cca 0,0005 mm dlouhým příčným ostřím) má výhodu v možnosti vybrousit jeho špičku do bodu a zachovat tak geometrickou podobnost různě velkých a tedy i těch nejmenších vtisků. Dalším používaným indentorem je kulička,

31 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 31 která má výhodu oproti Berkovichovu vnikacímu tělesu v postupném nárůstu zatížení, ale z důvodu obtížné výroby se nepoužívá tak často. Někdy se jako vnikající těleso používá také hrot ve tvaru rohu krychle, což je ostřejší hrot v porovnání s hrotem podle Berkoviche, tím tento hrot vyvolává větší napětí a deformace v okolí vtisku, čímž v okolí vtisku u křehkých materiálů vznikají dobře definovatelné trhlinky. [9] [22]

32 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 32 3 DYNAMICKÉ ZKOUŠKY TVRDOSTI Na rozdíl od statických zkoušek, kde se zkušební (vtiskovací) tělísko nejprve bezrázově nastaví na zkoušený předmět, a pak se pozvolna vzrůstající silou vtlačuje, jsou při dynamických zkouškách poměry vtiskování zcela jiné. Zkušební tělísko je buď z určité vzdálenosti proti zkoušenému předmětu vrženo, nebo na něm volně spočívá a je jiným tělesem rázem do něj vtisknuto. Přesnost dynamických zkoušek je obecně menší, něž - li u vnikacích zkoušek tvrdosti, využívají se zejména v provozních podmínkách a pro měření tvrdosti velkých výrobků. Podle základního principu mohou být dynamické zkoušky tvrdosti buď plastické nárazové, kde se tvrdost určí z velikosti trvalého vtisku, nebo zkoušky elastické odrazové, u kterých se tvrdost určuje z pružných vlastností materiálu. [3] [4] [7] 3.1 Plastické nárazové Používají se tři metody (Obr. 12). Ráz se vyvozuje buď pružinou, která vymrští kuličku proti zkoušenému materiálu (a), nebo volným pádem, kdy závaží s kuličkou padá na zkoušený materiál (b). V jiném případě je kulička, na níž je veden ráz, v klidu na povrchu tělesa (c). [4] Obr. 12. Schéma tří způsobů vtiskování kuličky do zkoušeného předmětu rázem [4]; a) vymrštění silou pružiny, b) volným pádem s beranem, c) rázem beranu B - beran, P - pružina, H - výška

33 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Metoda volným pádem Do zkoušeného povrchu se vtlačuje kulička silou, která se vyvodí pádem beranu z určité výšky. Tvrdost se určí jako měrná deformační práce, tj. podíl celkové spotřebované práce a objemu vtisku. [7] Metoda stlačenou pružinou (Baumannovo kladívko) U Baumannova kladívka (Obr. 13) se kulička o průměru 5 nebo 10 mm vtlačuje do zkoušeného předmětu úderem razníku, který je po odjištění vymrštěn stlačenou pružinou. Pokud vzorek není dostatečně těžký, položí se na masivní podložku. Přístroj se přiloží kuličkou kolmo na zkoušený povrch a tlakem na zaoblený konec pláště se stlačuje pružina uvnitř pláště. Když je pružina stlačena na potřebnou délku, západka po odjištění vymrští razník, který uhodí na držák s kuličkou a ta vytvoří vtisk do zkoušeného materiálu. Lupou s měřítkem se změří průměr vtisku d a hodnota tvrdosti se vyhledá ve zvláštní tabulce, která je součástí výbavy přístroje. Při použití Baumannova kladívka je síla úderu razníku při každém měření stejně velká, vyvolaná stlačenou pružinou. [23] Obr. 13. Řez Baumannovým kladivem [4] Obr. 14. Baumannovo kladivo (kulička 10mm) a lupa [16] 1 - nástavec s kuličkou, 2 - kryt, 3 - vodící kus, 4 - úderník, 5 - posuvný plášť, 6 - kladivo, 7 - pouzdro, 8 - západka, 9 - vybrání v plášti, 5, 10 - lisovací pružina

34 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Metoda porovnávací (Poldiho kladívko) Poldiho kladívko (Obr. 15) bylo vyrobeno Aloisem Repperem a patentováno v roce Je to přenosný jednoduchý tvrdoměr, který umožňuje stanovení tvrdosti na základě plastické deformace vzniklé rázem a porovnáním známé pevnosti materiálu porovnávací tyčinky s pevností zkoušeného materiálu. Jde o nejmenší přenosný tvrdoměr pro měření tvrdosti metodou Brinell. Je používán převážně pro měření tvrdosti ocelí. Oblast jeho použití je především u velkých součástí ve výrobě a provozu. Výhodou tvrdoměru jsou jeho malé rozměry, hmotnost a možnosti použití prakticky v jakékoliv poloze. [3] [12] Tvrdost měřená pomocí Poldiho kladívka se označuje symbolem HB Poldi. [23] Obr. 15. Řez kladívkem Poldi [1] Obr. 16. Kladívko Poldi a lupa [21] 1 - úderník, 2 - pružina, 3 - těleso, 4 - nástavec, 5 - kulička, 6 - pozorovací tyčinka, 7 - zkoušený materiál Tvrdoměr se skládá z nástavce a odpruženého úderníku. Nástavec je ukončen držátkem ocelové kuličky o průměru 10 mm. Mezi kuličku a úderník se vkládá porovnávací tyčinka o hraně 11 mm a tvrdosti cca 200 HBS. Při zkoušce se tvrdoměr přiloží ke zkoušenému materiálu tak, aby kulička dosedla na zkoušené místo a osa tvrdoměru byla kolmá k povrchu zkoušeného materiálu. Na horní část tvrdoměru se udeří ručním kladivem, ráz se přenese na kuličku a vytvoří vtisky ve zkoušeném předmětu a porovnávací tyčince (sílu

35 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 35 úderu není třeba měřit, jelikož poměr velikosti obou vtisků zůstává zachován nezávisle na působící síle). Lupou se změří průměr vtisku na zkoušeném materiálu i na porovnávací tyči. V tabulkách, které jsou ke každému tvrdoměru přiloženy, vyhledáme tvrdost podle velikosti vtisku. Tabulky platí pro porovnávací tyčinku z oceli o pevnosti R m = 686,5 MPa, je - li pevnost tyčinky odlišná, je nutno hodnotu tvrdosti odečtenou z tabulek korigovat koeficintem k, který je dán vztahem: k, -, (3.1) kde: R m - skutečná pevnost porovnávací tyčinky [MPa] Na srovnávacích tyčinkách bývá na čelní ploše vyznačena jak skutečná pevnost, tak i přepočítací koeficient k. [4] [12] [23] 3.2 Elastické odrazové Metoda pružného odrazu je založena na měření tvrdosti na základě pružného odrazu tělesa, padajícího z určité výšky na povrch tělesa. Při nárazu se malá část kinetické energie spotřebuje na nevratnou plastickou deformaci povrchu zkoušeného tělesa a zbývající energie, která způsobila pružnou deformaci, se projeví odrazem tělesa. Tvrdost se určí z výšky odrazu (Shoreho skleroskop) nebo z úhlu odrazu (duroskop - používaný na měření tvrdosti svislých ploch). Takto získaná hodnota tvrdosti je ve srovnání s ostatními metodami velmi nepřesná. [4] [23] Shoreho skleroskop Tento přístroj (Obr. 17) se skládá ze skleněné kalibrované trubky, ve které se pohybuje malé válcové těleso o hmotnosti 2,5 g, zakončené na spodní části kulovitě zabroušeným diamantem a padá volně z výšky H = 254 mm. Za trubkou je umístěna stupnice udávající empiricky zjištěné stupně tvrdosti podle Shoreho. Dílek HSh = 100 odpovídá výšce odrazu tělesa od tvrdě kalené uhlíkové oceli. Nastavení počáteční výšky tělíska se docílí například vysátím vzduch nad tělesem, anebo pružinou. Přesné odečítání výšky odrazu je zajištěno lupou. Zkoušený materiál musí být v místě zkoušky hladký a měřící přístroj musí být umístěn kolmo k jeho povrchu. Při zkoušce nesmí těleso dopadnout dvakrát na stejné místo, proto-

36 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 36 že v místě dopadu dochází k nepatrnému zpevnění povrchových vrstev materiálu, které by při opakovaném rázu zkreslilo výsledek měření. Shoreho skleroskopy se už moc nepoužívají, používali se k určování tvrdosti tvrzených válců při zjišťování tvrdosti velmi tenkých povrchových vrstev. V současné době se Shoreho metoda našla největší uplatnění u měření nekovových materiálů (plasty, elastomery, kůže). [4] [12] Tvrdost podle Shoreho skleroskopu se označuje symbolem HSh. [23] Obr. 17. Schéma Shoreho skleroskopu [23] Obr. 18. Shoreho skleroskop (ciferníkový záznam) [14] Duroskop Tato metoda se používá na měření tvrdosti svislých ploch. Velikost tvrdosti je vyjádřena pomocí úhlu odrazu definovaného zkušebního tělesa (kladívka). Přístroj (Obr. 19) se skládá z kladívka nesoucího na volném konci ocelovou kuličku, které je umístěno na otočném rameni. Kladívko padá z určitého úhlu na zkoušený předmět a při zpětném odrazu vezme s sebou vlečnou ručičku, která ukáže úhel odrazu kladívka. Dosažená hodnota tvrdosti se obvykle odečítá přímo na stupnici přístroje. Nepřesnosti při měření tvrdosti duroskopem jsou stejného druhu jako u Shoreho skleroskopu. [23]

37 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 37 Obr. 19. Schéma měření tvrdosti duroskopem [23] Tvrdoměr Equotip Je založen na Leebově principu. Měřicí metoda realizovaná přístroji EQUOTIP (Obr. 20) je jednoduchá dynamická zkouška tvrdosti. Nárazové tělísko ze zušlechtěného kovu je vrženo silou vyvozenou pružinou proti kontrolované ploše. Dopad tělíska vyvolá deformaci kontrolované plochy, což vede ke snížení kinetické energie. Pro určení tvrdosti se měří rychlost padajícího a odraženého nárazového tělíska v určité definované vzdálenosti od kontrolované plochy. Poměr obou rychlostí, násobený tisícem, slouží ke stanovení hodnoty HL (tvrdost Leeb, nazváno podle autora této metody). Naměřené hodnoty (HL) se mohou zobrazit ve všech běžných stupnicích tvrdosti (HV, HB, HRA, HRB, HS, Rm). [11] [17] Obr. 20. Přenosný tvrdoměr EQUOTIP 3 PROCEQ SA [17]

38 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 38 Hlavní oblastí použití přístroje EQUOTIP 3 je měření na těžkých a velkých součástech, zejména součástech již zabudovaných do strojních celků a skupin. Kromě měření na rovinném povrchu lze měřit i na zakřivených plochách (rádius zakřivení R > 10 mm). Protože se přepokládá, že přístroj bude využíván i v drsných dílenských podmínkách, může pracovat v rozsahu teplot (0 až 50) C a při relativní vlhkosti max. 90 %. Přístroj je také chráněn proti stříkající vodě a prachu. [11] Provedení zkoušky tvrdosti: 1. Vložení 2. Umístění Jednoduše vložte vnikající zaří- Potom položte a přidržte vnika- zení zasunutím do trubice smě- cí zařízení na povrchu zkušeb- rem dopředu. ního dílce a požadovaném místě měření. 3. Měřit Spusťte ráz stiskem tlačítka. Zobrazení informace na displeji. Hodnota tvrdosti bude trvale zobrazena. Obr. 21. Provádění zkoušky tvrdosti měřícím přístrojem EQUOTIP [17]

39 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 39 II. PRAKTICKÁ ČÁST

40 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 40 4 EXPERIMANTÁLNÍ ČÁST 4.1 Cíl práce Cílem bakalářské práce bylo měření tvrdosti vybraných druhů ocelí , 12050, , ), které byly v základním stavu (nezpracované), tepelně zpracované (zušlechtěné) a chemicko-tepelně zpracované (cementované). 4.2 Typy zkoušek Měření tvrdosti bylo prováděno metodou Rockwell na stroji Easydur Italiana v laboratořích Ústavu výrobního inženýrství ve Zlíně, pomocí pěti různých metod (HRA, HRC, HR15N, HR30N, HR45N), které zahrnují měření normálních a velmi tenkých povrchových vrstev. Tato metoda má výhodu oproti ostatním, že nemusí být vzorek nějak zvláště upraven z důvodu působení předběžného zatížení. Tab. 8. Použité normy pořadové číslo název Zkouška tvrdosti podle Rockwella- Stupnice tvrdosti A Zkouška tvrdosti podle Rockwella- Stupnice tvrdosti C Zkouška tvrdosti podle Rockwella- Stupnice tvrdosti HR15N Zkouška tvrdosti podle Rockwella- Stupnice tvrdosti HR30N Zkouška tvrdosti podle Rockwella- Stupnice tvrdosti HR45N norma ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO ČSN EN ISO Zkušební vzorky Zkušební vzorky byly připraveny metalografickým výbrusem, při kterém byly vzorky nejprve preparovány zalitím do epoxidové pryskyřice na stroji SimpliMet 1000 Mounting Press, pro usnadnění manipulace při broušení a leštění. Pak následovalo broušení a leštění na stroji EcoMet 250 Pro Grinder-Polisher.

41 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 41 Zkušební vzorky: Nezpracovaná a zušlechtěná ocel Nezpracovaná a zušlechtěná ocel Nezpracovaná a cementovaná ocel Nezpracovaná a zušlechtěná ocel 4.4 Postup měření Na zvoleném stroji se nastavila požadovaná zkouška tvrdosti a zkoušený vzorek se položil na tuhou podložku. Po zpuštění zkoušky se do materiálu zatlačil diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 (Obr. 22) nejprve předběžným zatížením F 0 (Tab. 6), a pak následně pozvolným zvětšováním síly o přídavné zatížení F 1 (Tab. 6) až se dosáhlo celkového zatížení F (Tab. 6). Na tomto zatížení pak následně materiál nějakou dobu zůstal. Pak následovalo odlehčování přídavného zatížení na předběžné zatížení F 0 a zjistila se hloubka vtisku. Na tomto stroji se tvrdost určila automaticky z hloubky vtisku. Měření bylo prováděno 10x pro každou metodu. F 0 - předběžné zatížení F 1 - přídavné zatížení F = F 0 + F 1 - celkové zatížení Obr. 22. Schéma metody

42 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 42 5 TEPENÉ ZPRACOVÁNÍ A CHEMICKO - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ VYBRANÝCH DRUHŮ OCELÍ zušlechtěná (popouštění při vysokých teplotách) - kalící teploty 860 C, uhlíkový potenciál 0,3%C, popouštění 500 C / 90 min zušlechtěná (popouštění při vysokých teplotách) - kalící teploty 860 C, uhlíkový potenciál 0,3%C, popouštění 500 C / 90 min cementovaná - cementováno 0,9 mm, kalící teploty 820 C / sůl AS 140, popouštění 160 C / 2 hod zušlechtěná (popouštěná při vysokých teplotách) - kalící teploty 860 C, uhlíkový potenciál 0,3%C, popouštění 540 C / 2 hod. 5.1 Tepelné zpracování Tepelné zpracování ocelí je pochod, při kterém je součástka podrobena jednomu nebo několika tepelným cyklům, aby se při daném složení materiálu dosáhlo požadované struktury a tím i vlastností. Každý cyklus tepelného zpracování se skládá z ohřevu, výdrže na teplotě a následném ochlazování. Znázorňuje se graficky v souřadnicích teplota - čas. [2] Kalení Získání větší tvrdosti a tím i vyšší pevnosti. Podstatou kalení je pomalé, stejnoměrné ohřátí ocelí na teplotu kalení (nad teplotu A 1 = 727 C) a následuje prudké ochlazení. Všechny druhy ocelí nejsou kalitelné, kalitelní oceli jsou ty, které mají obsah uhlíku vyšší jak 0,35 %. Podle druhu oceli ochlazujeme ve vodě, oleji nebo na vzduchu. Kalení dělíme na martenzitické a bainitické. [1] [2] Popouštění Zakalená ocel je křehká a náchylná k praskání. Aby se úroveň vnitřního pnutí snížila a zlepšila se houževnatost, mělo by po zakalení vždy následovat popouštění. Je to ohřev na popouštěcí teplotu, která je nižší než teplota kalení A 1, pak následuje výdrž na této teplotě a následné ochlazování vhodnou rychlostí. Podle výšky popouštěcích teplot se rozlišuje popouštění při nízkých teplotách a vysokých teplotách. [5]

43 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 43 Popouštění při nízkých teplotách (napouštění) v rozmezí teplot 100 až 300 C. Jeho cílem je snížit hladinu vnitřního pnutí, zmenšit obsah zbytkového austenitu a zlepšení houževnatosti při zachování vysoké tvrdosti. Používá se zejména u nástrojových ocelí. U konstrukčních ocelí je toto popouštění méně časté. Popouští se zejména ve vroucí vodě, olejové nebo solné lázni. [6] Popouštění při vysokých teplotách (zušlechťování) v rozmezí teplot 400 až 600 C. Při popouštění vzniká sorbitická struktura (ferit + cementit) s příznivou kombinací pevnostních vlastností (mez kluzu, pevnosti), houževnatost a plasticity. Tato struktura se získá martenzitickým kalením a následným popouštěním při vysokých teplotách. Používá se pro značně namáhané součásti z konstrukční oceli. [2] [6] 5.2 Chemicko-tepelné zpracování Chemicko-tepelným zpracováním se vytváří povrchové vrstvy, jejíž složení se liší od základního materiálu, který zůstává beze změny. Změny složení povrchu se dosáhne difuzním sycením povrchu oceli různými prvky (C, N, C+N, B, Si, Al, apod.). Cílem chemickotepelného zpracování je zvýšení tvrdosti a odolnosti povrchu proti opotřebení při zachování houževnatého jádra. [2] [6] Cementování Cementování je nasycování povrchu nízkouhlíkových ocelí uhlíkem a následné zakalení. Nasycuje se uhlíkem povrch ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do 0,25 %) a tím se vytváří na povrchu vrstva, která je obohacená uhlíkem až na eutektoidní nebo mírně nadeutektoidní koncentraci ( 0,9% C). Zakalením nacementované součásti se získá ve vrstvě martenzitická struktura o vysoké tvrdosti. Cementuje se při teplotách 850 až 950 C. Dobu výdrže na teplotě je nutné volit podle požadované tloušťky cementované vrstvy. Vytvářejí se vrstvy obvykle o tloušťce kolem 2 mm. Podle druhu prostředí, z něhož difunduje do ocelí uhlík, rozlišujeme tři způsoby cementování (v tuhém prostředí, tekutém prostředí a plynném prostředí). [2] [4]

44 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 44 6 OCEL Ocel obvyklých vlastností s vyšším obsahem uhlíku udávaná normou ČSN Vhodná na strojní součásti namáhané staticky i dynamicky, u nichž se nevyžaduje svařitelnost. Součásti vystavené velkému měrnému tlaku (hřídele, klíny, čepy, pastorky, šneky, vřetena lisů apod.). [2] Tab. 9. Chemické složení oceli Chemické složení [hm % ] P S N max. 0,045 max. 0,04 max. 0, Nezpracovaná ocel Tab. 10. Naměřené hodnoty tvrdosti a hloubky vtisku nezpracované oceli HRA HRC HR15N HR30N HR45N Číslo měř. t h t h t h t h t h 1 57,99 84,02 5,23 189,55 63,46 36,54 24,18 75,82 5,42 94, ,97 74,06 14,33 171,35 59,38 40,62 42,57 57,43 1,81 98, ,69 88,62 17,36 165,29 64,46 35,54 20,67 79,33 11,05 88, ,23 93,55 13,21 173,58 64,93 35,07 34,99 65,01 9,26 90, ,97 94,06 12,29 175,43 45,93 54,07 43,84 56,16 19,26 80, ,79 80,42 15,87 168,27 53,65 46,35 26,88 73,12 6,83 93, ,69 86,63 24,56 150,88 51,23 48,77 45,32 54,68 29,82 70, ,97 72, ,01 59,58 40,42 38,63 61,37 12,57 87, ,75 80,51 14,23 171,54 53,6 46,4 43,75 56,25 6,08 93, ,58 78,85 25,46 149,08 75,02 24,98 36,41 63,59 3,33 96,67./ 58,36 83,28 16,05 167,90 59,12 40,88 35,72 64,28 10,54 89,46 s 3,56 7,13 5,59 11,17 7,94 7,94 8,47 8,47 8,01 8,01 t - tvrdost, h - hloubka vtisku [µm],./ - aritmetický průměr, s - směrodatná odchylka

45 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 45 Tvrdost Hloubka vtisku [µm] Tvrdost Hloubka vtisku 0 HRA HRC HR15N HR30N HR45N 0 Obr. 23. Porovnání tvrdost a hloubky vtisku nezpracované oceli danými metodami Z výsledků měření bylo zjištěno, že největší hodnota tvrdosti u nezpracované oceli byla dosáhnuta metodou HR15N (59,12 HR15N), tato tvrdost se lišila jen nepatrně oproti metodě HRA (58,36 HRA). Nejmenší tvrdost vykazovala metoda HR45N (10,54 HR45N) (Tab. 10, Obr. 23). 6.2 Zušlechtěná ocel Tab. 11. Naměřené hodnoty tvrdosti a hloubky vtisku zušlechtěné oceli HRA HRC HR15N HR30N HR45N Číslo měř. t h t h t h t h t h 1 61,86 76,29 26,79 146,42 70,34 29,66 54,27 45,73 18,64 81, ,18 83,64 25,44 149,13 79,53 20,47 49,82 50,18 30,43 69, ,79 78,42 26,51 146,99 72,28 27, ,98 73, ,8 82,41 25,01 149,99 81,76 18,24 49,44 50,56 20,72 79, ,02 75,96 25,82 148,37 63,18 36,82 35,88 64,12 17,87 82, ,48 79,05 26,6 146,81 69,91 30,09 49,44 50,56 28,59 71, ,79 70,42 27,24 145,53 67,92 32,08 38,44 61,56 22,29 77, ,57 74,87 24,21 151,59 74,89 25,11 37,63 62,37 15,79 84, ,82 82,36 25,91 148,18 76,83 23,17 47,93 52,07 33,37 66, ,58 70,84 28,99 142,02 69,01 30,99 31,33 68,67 20,15 79,85./ 61,29 77,43 26,25 147,50 72,57 27,44 44,52 55,48 23,48 76,52 s 2,20 4,40 1,25 2,50 5,39 5,39 7,47 7,47 5,64 5,64 t - tvrdost, h - hloubka vtisku [µm],./ - aritmetický průměr, s - směrodatná odchylka

46 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 46 Tvrdost Hloubka vtisku [µm] Tvrdost Hloubka vtisku 0 HRA HRC HR15N HR30N HR45N 0 Obr. 24. Porovnání tvrdost a hloubky vtisku zušlechtěné oceli danými metodami Z výsledků měření bylo zjištěno, že největší hodnota tvrdosti u zušlechtěné oceli byla dosáhnuta metodou HR15N (72,57 HR15N). Nejmenší tvrdost vykazovala metoda HR45N (23,48 HR45N) (Tab. 11, Obr. 24).